راز عمر طولانی باتریهای قابل شارژ ممکن است در پذیرش تفاوتها نهفته باشد. مدلسازی جدید از چگونگی تخریب سلولهای لیتیوم-یونی در یک بسته، راهی را برای تنظیم شارژ با ظرفیت هر سلول نشان میدهد تا باتریهای خودروهای برقی بتوانند چرخههای شارژ بیشتری را تحمل کرده و از خرابی جلوگیری کنند.
این تحقیق که در ۵ نوامبر منتشر شد،معاملات IEEE در فناوری سیستمهای کنترل، نشان میدهد که چگونه مدیریت فعال میزان جریان الکتریکی که به هر سلول در یک بسته باتری جریان مییابد، به جای تحویل یکنواخت بار، میتواند فرسودگی و پارگی را به حداقل برساند. این رویکرد به طور مؤثر به هر سلول اجازه میدهد تا بهترین و طولانیترین عمر خود را داشته باشد.
به گفته سیمونا اونوری، استاد دانشگاه استنفورد و نویسنده ارشد این مطالعه، شبیهسازیهای اولیه نشان میدهد که باتریهای مدیریتشده با فناوری جدید میتوانند حداقل 20 درصد چرخه شارژ-دشارژ بیشتر را تحمل کنند، حتی با شارژ سریع مکرر که فشار بیشتری به باتری وارد میکند.
بیشتر تلاشهای قبلی برای افزایش عمر باتری خودروهای برقی بر بهبود طراحی، مواد و ساخت سلولهای منفرد متمرکز بوده است، بر اساس این فرض که مانند حلقههای یک زنجیر، یک باتری تنها به اندازه ضعیفترین سلول خود خوب است. مطالعه جدید با این درک آغاز میشود که اگرچه حلقههای ضعیف اجتنابناپذیر هستند - به دلیل نقصهای تولید و به این دلیل که برخی از سلولها در معرض فشارهایی مانند گرما سریعتر از بقیه تخریب میشوند - اما نیازی به تخریب کل مجموعه ندارند. نکته کلیدی این است که نرخ شارژ را با ظرفیت منحصر به فرد هر سلول تنظیم کنیم تا از خرابی جلوگیری شود.
اونوری، استادیار مهندسی علوم انرژی در دانشکده پایداری استنفورد دوئر، گفت: «اگر به درستی با ناهمگونیهای سلول به سلول مقابله نشود، میتواند طول عمر، سلامت و ایمنی یک باتری را به خطر بیندازد و باعث نقص اولیه در عملکرد باتری شود.» «رویکرد ما انرژی هر سلول در بسته را برابر میکند و همه سلولها را به حالت شارژ نهایی هدف به صورت متعادل میرساند و طول عمر بسته را بهبود میبخشد.»
الهامبخش ساخت باتری با طول عمر یک میلیون مایل
بخشی از انگیزه این تحقیقات جدید به اعلامیه سال ۲۰۲۰ تسلا، شرکت سازنده خودروهای برقی، مبنی بر کار بر روی «باتری یک میلیون مایلی» برمیگردد. این باتری قادر است یک خودرو را برای مسافت ۱ میلیون مایل یا بیشتر (با شارژ منظم) تغذیه کند، قبل از اینکه به نقطهای برسد که مانند باتری لیتیوم-یونی در یک تلفن یا لپتاپ قدیمی، باتری خودروی برقی شارژ بسیار کمی را برای عملکرد مناسب نگه دارد.
چنین باتری از گارانتی معمول خودروسازان برای باتریهای خودروهای برقی که هشت سال یا ۱۰۰۰۰۰ مایل است، فراتر خواهد رفت. اگرچه باتریها معمولاً بیشتر از گارانتی خود دوام میآورند، اما اگر تعویض باتریهای گرانقیمت کمیابتر شود، اعتماد مصرفکننده به خودروهای برقی میتواند تقویت شود. باتریای که پس از هزاران بار شارژ همچنان شارژ خود را حفظ کند، میتواند راه را برای برقیسازی کامیونهای مسافت طولانی و برای پذیرش سیستمهای موسوم به «خودرو به شبکه» که در آن باتریهای خودروهای برقی انرژی تجدیدپذیر را ذخیره و برای شبکه برق ارسال میکنند، هموار کند.
اونوری گفت: «بعداً توضیح داده شد که مفهوم باتری میلیون مایلی در واقع یک شیمی جدید نیست، بلکه فقط راهی برای کار کردن باتری بدون استفاده از برد کامل شارژ است.» تحقیقات مرتبط بر روی سلولهای لیتیوم-یونی تکی متمرکز شده است که عموماً ظرفیت شارژ را به سرعت باتریهای پر از شارژ از دست نمیدهند.
اونوری و دو محقق در آزمایشگاهش - وحید عظیمی، محقق فوق دکترا و آنیرود علام، دانشجوی دکترا - که کنجکاو شده بودند، تصمیم گرفتند بررسی کنند که چگونه مدیریت خلاقانه انواع باتریهای موجود میتواند عملکرد و عمر مفید یک بسته باتری کامل را که ممکن است شامل صدها یا هزاران سلول باشد، بهبود بخشد.
مدل باتری با کیفیت بالا
در گام اول، محققان یک مدل کامپیوتری با دقت بالا از رفتار باتری ساختند که تغییرات فیزیکی و شیمیایی رخ داده در داخل باتری را در طول عمر عملیاتی آن به طور دقیق نشان میدهد. برخی از این تغییرات در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه - و برخی دیگر در طول ماهها یا حتی سالها - آشکار میشوند.
اونوری، مدیر آزمایشگاه کنترل انرژی استنفورد، گفت: «تا آنجا که ما میدانیم، هیچ مطالعهی قبلی از این نوع مدل باتری چندمقیاس زمانی با دقت بالا که ما ایجاد کردیم، استفاده نکرده است.»
اجرای شبیهسازیها با این مدل نشان داد که یک باتری مدرن را میتوان با در نظر گرفتن تفاوتهای بین سلولهای تشکیلدهندهاش بهینه و کنترل کرد. اونوری و همکارانش پیشبینی میکنند که مدل آنها برای هدایت توسعه سیستمهای مدیریت باتری در سالهای آینده که به راحتی در طراحیهای موجود خودرو قابل استفاده هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
فقط خودروهای برقی نیستند که از این مزیت بهرهمند میشوند. اونوری گفت، تقریباً هر کاربردی که «باتری را زیاد تحت فشار قرار دهد» میتواند کاندیدای خوبی برای مدیریت بهتر با توجه به نتایج جدید باشد. یک مثال؟ هواپیماهای بدون سرنشین با برخاستن و فرود عمودی برقی، که گاهی اوقات eVTOL نامیده میشوند، که برخی از کارآفرینان انتظار دارند در دهه آینده به عنوان تاکسی هوایی فعالیت کنند و سایر خدمات حمل و نقل هوایی شهری را ارائه دهند. با این حال، کاربردهای دیگری برای باتریهای لیتیوم-یونی قابل شارژ، از جمله هوانوردی عمومی و ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ، مورد توجه قرار گرفته است.
اونوری گفت: «باتریهای لیتیوم-یونی همین حالا هم دنیا را از بسیاری جهات تغییر دادهاند. مهم است که تا حد امکان از این فناوری متحولکننده و جانشینان آن بهره ببریم.»
زمان ارسال: ۱۵ نوامبر ۲۰۲۲